用于产生电能的方法以及工作介质的用途 |
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| 申请号 | CN201080020263.9 | 申请日 | 2010-04-15 | 公开(公告)号 | CN102639819A | 公开(公告)日 | 2012-08-15 |
| 申请人 | 西门子公司; | 发明人 | E·博策克; M·芬茨; K·希姆勒; R·约; J·伦格特; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种用于借助于至少一个低温热源(2)产生 电能 的方法，其中执行VPT循环过程(1、10、100)。为了提高VPT循环过程的效率建议使用特定的工作介质。 | ||||||
| 权利要求 | 1.用于借助至少一个低温热源(2)产生电能的方法，其中执行VPT循环过程(1、10、 |
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| 说明书全文 | 用于产生电能的方法以及工作介质的用途[0001] 本发明涉及用于借助于至少一个低温热源产生电能的方法，其中执行VPT循环过程。 [0002] 由于世界范围内不断增加的能源价格，用于利用甚至在至多400℃的低温范围的废热例如地热或者工业过程的废热形式的系统具有越来越重要的意义。 [0003] 比起使用有机的、通常对环境有害的工作介质的传统的ORC循环过程(ORC：有机朗肯循环)，或者比起在技术上耗费较大并且使用氨-水-混合物作为工作介质的所谓的卡琳娜循环过程，借助于VPT循环过程更深度利用低温热源的热量。 [0005] US 7,093,503 B1在图7中公开了一种借助于至少一个低温热源产生电能的方法，其中执行VPT循环过程。借助于地热被加热的流体用作低温热源，该流体的热量传递到工作介质。该工作介质被供给至涡轮并且借助于喷嘴膨胀。形成的工作介质射束具有动能，该动能驱动发电机的转子来产生电能。工作介质(气态或者气态/液态)被冷却、冷凝并且被引导经过泵，通过该泵工作介质中的压力被提高。依据US 7,093,503 B1，接下来工作介质全部再次被输送到涡轮中，以冷却发电机和润滑涡轮中的密封件。在从涡轮排出以后再次借助于通过地热加热的流体将热量传递到工作介质上并因此循环闭合。 [0006] 在一种没有在US 7,093,503 B1中出现的运行方法中也可以进行发电机的冷却以及涡轮中的密封件的润滑，即只有一部分工作介质再次被输送到涡轮中，以冷却发电机和润滑涡轮中的密封件。分流到涡轮的部分在从涡轮排出后再与剩余部分的工作介质汇合。随后再次借助于通过地热加热的流体将热量传递到工作介质上，来使循环闭合。因此在这里循环过程同样被称为VPT循环过程，其中工作介质在泵之后只有一部分被再次输送到涡轮。 [0007] 在另一种没有在US 7,093,503 B1中出现的运行方法中也可以通过一种分开的润滑剂循环和/或冷却循环进行发电机的冷却以及涡轮中的密封件的润滑。因此在这里循环过程同样被称为VPT循环过程，其中工作介质在泵之后被直接送去通过借助于地热加热的流体加热并因此使循环闭合，而工作介质不再次被输送到涡轮。 [0008] 工作介质在闭合的系统中循环。它流过热交换区域(在该热交换区域中低温热源的热量被传递到工作介质)、涡轮、冷凝区域、泵，任选地再次完全或者部分输送到涡轮，以便最终再次被输送到热交换区域并且再次流过循环系统。 [0009] 依据US 7,093,503 B1，R134a(1，1，1，2-四氟乙烷)和R245fa(1，1，1，3，3-五氟丙烷)被描述作为VPT循环过程的工作介质。 [0010] 此外在Energent公司的网站(http://www.energent.net/Projects％20VPT.htm)上R245ca(1，1，2，2，3-五氟丙烷)也被列为在VPT循环过程中应用的工作介质。 [0012] 因此本发明的目的在于，提高用于借助于至少一个低温热源产生电能的方法的效率，其中执行VPT循环过程。 [0013] 该目的通过第一种用于借助于至少一个低温热源产生电能的方法解决，其中执行VPT循环过程，其中使用下述物质作为VPT循环过程的工作介质 [0015] b)至少一种选自1-氯-1，2，2，2-四氟乙烷、1-氯-1，1-二氟乙烷、氯代甲烷、溴二氟甲烷、三氟碘甲烷或2-甲基丙烷的烷烃，或者 [0016] c)至少一种具有2个碳原子的醚。 [0017] 此外该目的通过第二种用于借助于至少一个低温热源产生电能的方法得到解决，其中执行VPT循环过程，其中作为VPT循环过程的工作介质使用至少一种物质，该物质在液相中在115℃的温度具有大于17巴的逸度。 [0018] VPT循环过程被理解为任何包含VPT涡轮的循环，该涡轮既可以借助于气态也可以借助于液态还可以借助于气态和液态的混合物被驱动。 [0019] 因此工作介质以液相存在，任选的工作介质的压力必须相应地提高，例如借助于泵。优选在这里特别是离心泵。 [0020] 这种方法使得效率提高到12％及更高。 [0021] 关于第一种方法优选的环烷烃是环丙烷。特别合适的烯烃是反式-2-丁烯或者1-氯-2，2-二氟乙烯。1，2-丁二烯、1，3-丁二烯或者丙二烯特别适合作为二烯烃。优选的炔烃是丙炔。特别优选的醚是二甲醚。 [0022] 关于第二种方法，优选使用选自1-氯-1，2，2，2-四氟乙烷、1-氯-1，1-二氟乙烷、2-甲基丙烷、异丁烯、环丙烷、丙二烯、丙炔或者二甲醚的物质作为VPT循环过程的工作介质。例如，在液相中在115℃1-氯-1，2，2，2-四氟乙烷具有21.6巴的逸度，1-氯-1，1-二氟乙烷具有19.9巴的逸度，2-甲基丙烷具有19.2巴的逸度，异丁烯具有17.9巴的逸度，环丙烷具有32.6巴的逸度，丙二烯具有31.3巴的逸度，丙炔具有30.1巴的逸度，并且二甲醚具有29.9巴的逸度。 [0023] 关于第二种方法，作为VPT循环过程的工作介质使用至少一种物质，该物质在液相中在115℃的温度具有大于20巴，特别优选大于25巴的逸度，这是特别有利的。 [0024] 从环境观点考虑，两种方法的上述物质中无卤素物质是特别优选的。 [0025] 此外，与使用工作介质混合物相比，优选使用纯的材料作为工作介质，因为用于执行VPT循环过程的装置的仪器方面的耗费可以由此减少。 [0026] 优选使用选自环丙烷、反式-2-丁烯、1-氯-2，2-二氟乙烯、1-氯-1，2，2，2-四氟乙烷、溴二氟甲烷、1-氯-1，1-二氟乙烷、丙二烯、丙炔、氯代甲烷、三氟碘甲烷或者二甲醚的物质作为VPT循环过程的工作介质。由此效率提高到12.5％及更高的值。 [0027] 特别是使用选自环丙烷、丙二烯、丙炔、三氟碘甲烷或者二甲醚的物质作为VPT循环过程的工作介质。由此得到效率提高到13％及更高的值。 [0028] 特别优选使用二甲醚、丙炔、丙二烯或者三氟碘甲烷。这使得效率可以提高到13.5％及更高的值。 [0029] 当使用丙二烯作为工作介质时，可以以有利的方式实现14％及更高的效率。 [0030] 为用于借助于至少一个低温热源产生电能的VPT循环过程使用以下形式的工作介质是理想的： [0031] a)至少一种选自环烷烃、烯烃、二烯烃或者炔烃的物质，所述物质具有2-6个碳原子，或者 [0032] b)至少一种选自1-氯-1，2，2，2-四氟乙烷、1-氯-1，1-二氟乙烷、氯代甲烷、溴二氟甲烷、三氟碘甲烷或2-甲基丙烷的烷烃，或者 [0033] c)至少一种具有2个碳原子的醚。 [0034] 此外，为用于借助于至少一个低温热源产生电能的VPT循环过程使用至少一种在液相中在115℃的温度具有大于17巴逸度的物质形式的工作介质也是理想的。 [0035] 已被证明有效的是，低温热源提供90-400℃，特别是100-250℃范围的温度。此外特别优选具有100-150℃范围温度的低温热源。 [0036] 低温热源优选通过地热供给，其中地面以小的钻井深度就足够获得可使用的90-250℃温度范围的废热。 [0038] 优选由低温热源提供的介质和工作介质在热交换区域的温差为至少5℃，特别是至少10℃。 [0039] 在表格1-3中对比了一些工作介质的总效率η，其中工作介质在VPT循环过程中被低温热源加热到了115℃的温度。工作介质的温度在从低温热源到工作介质上的热传递后直接确定。 [0040] 以下的表格包含已经公知的在VPT循环过程中使用的工作介质(粗体)以及示例性选择的其他的工作介质，由这些所选择的工作介质导致更高的效率。 [0041] 在表格中Tkr＝临界温度。 [0042] 总效率根据下述公式计算： [0043] η＝(W涡轮/Q地热)*100％ [0044] 其中： [0045] W涡轮＝涡轮的功(单位为J)，其中功为绝对值； [0046] Q地热＝低温热源和工作介质之间的界面的热量(单位为J)。 [0047] 表1：烯烃形式的工作介质与已知的工作介质的比较 [0048] [0049] [0050] 表1 [0051] 表2：烷烃形式的工作介质的比较 [0052] [0053] [0054] 表2 [0055] 表3：二烯烃、炔烃或者醚形式的工作介质与已知的工作介质的比较[0056] [0057] 表3 [0058] 图1至图4示出示例的VPT循环过程，其中： [0059] 图1示出第一种VPT循环过程； [0060] 图2示出第二种VPT循环过程； [0061] 图3示出第三种VPT循环过程；和 [0062] 图4示出第四种VPT循环过程。 [0063] 图1示出第一种VPT循环过程1。存在低温热源2，该低温热源提供借助于地热或者工业过程的废热加热的流体20a。借助于地热提供的流体特别是热水。加热的流体20a流过热交换区域3，在该区域内加热的流体20a将一部分储存在其中的热能传递给工作介质7e，该工作介质同样流过热交换区域3。作为工作介质7e使用例如丙二烯、二甲醚、环丙烷、丙炔或者三氟碘甲烷。热交换区域3涉及例如热交换器，特别是一个叉流式或者对流式热交换器。借助于加热的流体20a被加热的工作介质7a从热交换区域3到达“可变相的”涡轮4(VPT)并且在此处借助于喷嘴膨胀。 [0064] 形成的工作介质7b的射束具有动能，该动能驱动发电机的转子产生电能E。至少部分以气态存在的工作介质7b被冷却并在冷凝区域5被冷凝。为了冷却工作介质7b冷却剂50a例如以冷却水或者冷却空气形式被导入冷凝区域5，该冷却剂作为加热的冷却剂50b再离开冷凝区域5。作为替代，在冷凝区域5还可以通过直接冷却或者混合冷却(Hybridkühlung)被冷却。冷凝后的工作介质7c被引导经过泵6，通过该泵工作介质7c中的压力被提高。在高压下或者被压缩的工作介质7d接下来被全部再次输送到涡轮4，以冷却发电机和润滑涡轮4中的密封件。在工作介质7e从涡轮4排出后再次借助于通过地热或者工业过程加热的流体20a将热量传递到工作介质7e上并因此使循环闭合。 [0065] 图2示出第二种VPT循环过程10。在图1和图2中使用的相同的附图标记对应于相同的单元。作为工作介质7e例如使用丙二烯、二甲醚、环丙烷、丙炔或者三氟碘甲烷。图2中的方法流程从热交换区域3直至到达泵6相应于图1已说明的方法流程。冷凝后的工作介质7c在这里也被引导经过泵6，通过该泵工作介质7c中的压力被提高。高压下的工作介质7d接下来分成第一分流7d’和第二分流7d”。第一分流7d’被再次输送到涡轮4，以冷却发电机和润滑涡轮4中的密封件。在第一分流从涡轮4排出后又与第二分流7d”汇合。再次借助于通过地热或者工业过程加热的流体20a将热量传递到合并形成的工作介质 7e上并因此使循环闭合。 [0066] 图3示出第三种VPT循环过程100。在图1-图3中使用的相同的附图标记对应于相同的单元。作为工作介质7e例如使用丙二烯、二甲醚、环丙烷、丙炔或者三氟碘甲烷。图3中的方法流程从热交换区域3直至到达泵6相应于图1已说明的方法流程。冷凝后的工作介质7c在这里也被引导经过泵6，通过该泵工作介质7c中的压力被提高。高压下的工作介质7d接下来直接被再次输送到热交换区域3。再次借助于通过地热或者工业过程加热的流体20a将热量传递到工作介质7e上并因此使循环闭合。为了发电机的冷却和涡轮4中的密封件的润滑，设置有特有(eigner)的冷却和润滑循环8，该循环与工作介质循环分离，将冷却剂和润滑剂9a、9b输送到涡轮4并再次从涡轮输出。 [0067] 图4示出第四种VPT循环过程1’。存在低温热源2，该低温热源提供借助于地热或者工业过程的废热被加热的流体20a。借助于地热提供的流体特别是热水。加热的流体20a流过热交换区域3，在该区域内加热的流体20a将一部分储存在其中的热能传递到工作介质7e上，该工作介质同样流过热交换区域3。作为工作介质7e使用例如丙二烯、二甲醚、环丙烷、丙炔或者三氟碘甲烷。热交换区域3涉及例如热交换器，特别是叉流式或者对流式热交换器。借助于加热的流体20a被加热的工作介质7a从热交换区域3到达“可变相的”涡轮4(VPT)并且在此处借助于喷嘴膨胀。 [0068] 形成的工作介质7b的射束具有动能，该动能驱动发电机的转子产生电能E。至少部分以气态存在的工作介质7b被输送到分离器11，在该分离器内将以液相存在的工作介质7b’与以气相存在的工作介质7b”分离。以气相存在的工作介质7b”被输送到燃气涡轮12，借助于该燃气涡轮产生另外的电能E’。在燃气涡轮12之后至少部分为气态的工作介质7b””在冷凝区域5被冷凝。为了工作介质7b的冷却，例如冷却水或者冷却空气形式的冷却剂50a被输送到冷凝区域5，该冷却剂作为经加热的冷却剂50b再离开冷凝区域5。作为替代，在冷凝区域5中还可以通过直接冷却或者混合冷却被冷却。在冷凝区域5冷凝后的工作介质7c与在分离器11中分离出的液态的工作介质7b’部分被引导经过泵6，通过该泵工作介质7c、7b’中的压力被提高。在高压下或者被压缩的工作介质7d接下来被全部再次输送到涡轮4，以冷却发电机和润滑涡轮4中的密封件。在工作介质7e从涡轮4排出后再次借助于通过地热或者工业过程加热的流体20a将热量传递到工作介质7e上并因此使该循环闭合。 |
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